[發(fā)明專利]一種確定海洋平臺(tái)吊機(jī)承載能力下降率的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110637009.3
• 申請(qǐng)日: 2021-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113312725A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閆天紅;周國(guó)強(qiáng);王維剛;馮昊龍;王旭;劉偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 大慶知文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23115
• 代理人: 李建華

1.一種確定海洋平臺(tái)吊機(jī)承載能力下降率的方法，其特征在于包括如下步驟:

第一步，對(duì)待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試；

本步驟按照如下路徑進(jìn)行：

測(cè)試時(shí)，吊機(jī)吊臂處于與甲板平行的狀態(tài)，即水平狀態(tài)；將振動(dòng)傳感器布置在待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)吊臂每段根部桿件上，這些桿件與平臺(tái)甲板平行并且兩兩桿件相互垂直，吊臂上布置至少8支加速度傳感器，經(jīng)由計(jì)算得到吊模態(tài)參數(shù)；

對(duì)待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)進(jìn)行局部承載能力測(cè)試，分別采集吊臂在空載時(shí)起升50°、60°、70°和80°的應(yīng)力數(shù)據(jù)和負(fù)載時(shí)起升50°、60°、70°和80°的應(yīng)力數(shù)據(jù)，負(fù)載通過(guò)吊機(jī)主鉤懸掛水袋實(shí)現(xiàn)，采集負(fù)載在吊臂起升80°的應(yīng)力數(shù)據(jù)后，放空水袋中的水，繼續(xù)采集此狀態(tài)下吊臂由80°、70°、60°到50°的應(yīng)力數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)，以吊機(jī)設(shè)計(jì)載荷的25％-30％來(lái)選擇水袋中水的重量；測(cè)試時(shí)，吊機(jī)吊臂上布置至少24支應(yīng)變傳感器，A型架上布置至少8支應(yīng)變傳感器，得到吊機(jī)局部應(yīng)變值；

第二步，建立構(gòu)成待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)主體的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)和幾何截面參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；本步驟中所述吊機(jī)主體的材料數(shù)據(jù)為Q345型鋼，截面分別為圓管型鋼和H型鋼H355×365×18、H208×204×16和H160×155×12；

第三步，利用ansys有限元軟件建立待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元模型與吊機(jī)局部結(jié)構(gòu)多尺度模型，通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的有限元模型靜力計(jì)算和模態(tài)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)質(zhì)量、位移及數(shù)值模態(tài)陣型φ_a；

第四步，建立待檢測(cè)的海洋平臺(tái)吊機(jī)的多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型，建立路徑如下：

1)將吊機(jī)吊臂分為n段，每段視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)間串式連接，得到吊機(jī)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型；提取經(jīng)由第三步中獲取的整體結(jié)構(gòu)有限元模型中的吊臂每段頂層質(zhì)量及段間質(zhì)量，每段頂層由于剛體假設(shè)，可以視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，段間質(zhì)量上半部分集中于上質(zhì)點(diǎn)，段間質(zhì)量下半部分集中下質(zhì)點(diǎn)，得到多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型的質(zhì)量列向量M；

2)提取經(jīng)由第三步中獲取的整體結(jié)構(gòu)有限元模型中每段頂層4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在各頂層關(guān)鍵點(diǎn)的x和y方向分別依次施加1/4的單位力，繞z軸的關(guān)鍵點(diǎn)依次施加1/4的單位扭矩，從而可得到各節(jié)點(diǎn)x和y兩個(gè)方向的線位移值和繞z軸的角位移值，將位于吊臂同一層上各節(jié)點(diǎn)線位移值和角位移值求和再平均，得到吊臂模型每段二個(gè)方向的線位移和一個(gè)角位移，即柔度系數(shù)，集成各層的柔度系數(shù)得到多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型的柔度矩陣F，由公式(1)得到剛度矩陣K；

K＝F^-1 (1)

考慮無(wú)阻尼自由振動(dòng)時(shí)，多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型振動(dòng)微分方程的特征值方程為：

(K-λM)φ＝0 (2)

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，φ為結(jié)構(gòu)正則化振型，φ_m記做模態(tài)振型，λ為結(jié)構(gòu)固有頻率的平方，即λ＝ω²(角頻率)，rad/s，f＝ω/(2π)(頻率)，Hz。

求解特征值方程的特征值和特征向量，得到吊機(jī)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型各階頻率和振型；

第五步，提取經(jīng)由第四步建立的吊機(jī)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型中的模態(tài)振型φ_m及經(jīng)由第三步獲得的吊機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元模型中數(shù)值模態(tài)振型φ_a，判斷多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型與整體有限元模型相關(guān)性，具體判斷路徑如下：

按照模態(tài)置信準(zhǔn)則，即Modal Assurance Criterion，縮寫為MAC，評(píng)價(jià)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型模態(tài)振型與整體結(jié)構(gòu)有限元模型振型之間的相關(guān)程度：

式中：j k表示多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型和整體結(jié)構(gòu)有限元模型振型第j和第k列；

MAC值介于0與1之間，MAC等于1，表示相關(guān)極好；等于0表示兩個(gè)模態(tài)毫不相干；當(dāng)把所有MAC值排到一個(gè)矩陣中時(shí)，如果MAC0.8，則利用多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型執(zhí)行第六步，如果MAC0.8，則重復(fù)第三步至第五步；

第六步，校準(zhǔn)吊機(jī)多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化模型與吊機(jī)局部結(jié)構(gòu)多尺度模型，消除吊機(jī)整體有限元模型建模誤差與吊機(jī)局部結(jié)構(gòu)多尺度模型建模誤差，獲得校準(zhǔn)后的吊機(jī)整體有限元模型與吊機(jī)局部結(jié)構(gòu)多尺度模型；校準(zhǔn)路徑如下：

基于第一步所獲得的模態(tài)參數(shù)的吊機(jī)有限元模型修正，即一級(jí)修正，特征量選擇MAC值、修正參數(shù)為彈性模量；

基于第一步測(cè)試應(yīng)變的吊機(jī)有限元模型修正，即兩級(jí)修正，特征量選擇應(yīng)變值，修正參數(shù)為彈性模量；

第七步，將經(jīng)由第六步校準(zhǔn)后的吊機(jī)整體有限元模型與吊機(jī)局部結(jié)構(gòu)多尺度模型組合，形成試驗(yàn)吊機(jī)有限元多尺度基準(zhǔn)模型，具體路徑如下：

提取第五步中基于模態(tài)參數(shù)的模型修正和基于測(cè)試應(yīng)變的模型修正，第一級(jí)基于模態(tài)參數(shù)的模型修正為吊機(jī)結(jié)構(gòu)整體修正；第二級(jí)基于實(shí)測(cè)應(yīng)變的模型修正為吊機(jī)結(jié)構(gòu)局部修正；通過(guò)雙重模型修正，以使得吊機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型中完整呈現(xiàn)出現(xiàn)役吊機(jī)整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)所賦予的特征；

第八步，通過(guò)對(duì)第六步所獲得的試驗(yàn)吊機(jī)有限元多尺度基準(zhǔn)模型進(jìn)行吊機(jī)最大承載能力F_s下仿真試驗(yàn)，初始F_s取值為吊機(jī)出廠時(shí)的最大承載力的值，求取f_a、f_bx及f_by，其中f_a是軸向壓應(yīng)力、f_bx是第一水平方向彎曲應(yīng)力、f_by是第二水平方向彎曲應(yīng)力，第一水平方向與第二水平方向夾角為90°；將所求得的f_a、f_bx及f_by代入公式(4)和(5)，判斷公式(4)和(5)是否同時(shí)成立；

式中f_a——軸向壓應(yīng)力

F_a——僅有軸向力存在時(shí)許用壓應(yīng)力

f_bx——由M₂引起的彎曲應(yīng)力

f_by——由M₃引起的彎曲應(yīng)力

F_y——材料的屈服極限

F_bx——和M₂相對(duì)應(yīng)的許用彎曲應(yīng)力

F_by——和M₃相對(duì)應(yīng)的許用彎曲應(yīng)力——除以安全系數(shù)后的歐拉應(yīng)力，E為材料的彈性模量，值為2.10×10¹¹Pa。C_m為系數(shù)，C_mx＝C_my＝0.85；

第九步，當(dāng)公式(4)和(5)同時(shí)成立時(shí)，確定吊機(jī)最大承載力為F_s；當(dāng)公式(4)和(5)不能同時(shí)成立時(shí)，執(zhí)行第八步，在第八步中調(diào)整F_s值，每次減少1kN，重新計(jì)算，直到使公式(4)和公式(5)同時(shí)成立，此時(shí)得到的載荷記為F_f；

第十步，按照公式(6)求取海洋平臺(tái)吊機(jī)的承載能力下降率η；

其中

η為承載能力下降率；

F_s為吊機(jī)出廠時(shí)最大承載能力，單位為kN；

F_f為經(jīng)由第九步所獲得的使公式(4)和公式(5)同時(shí)成立的載荷，單位為kN。